Более того, не очень понятно, на что сядет лунный корабль — на твердую поверхность или в пылевую трясину. Ведь по поводу поверхности Луны существует две теории: «пылевая», по которой Луна покрыта многометровым слоем пыли, и «метеорно-шлаковая», согласно которой пыль толщиной всего в несколько миллиметров лежит на твердой основе.
Чтобы узнать свойства поверхности, нужно прилуниться. А чтобы прилуниться, нужно знать свойства поверхности.
Для решения задачи в СССР начинаются наблюдения по методу «искусственной Луны». В разных районах Советского Союза ставят мачты, на которые поднимают и опускают диски диаметром несколько метров — искусственные луны.
Диск размещался на горе, радиотелескоп — под горой.
Начало 1960-х (радиоастрономическая станция «Зименки» под Горьким):
Сегодня (Крым, недалеко от Судака):
Диск имел те же угловые размеры, что и Луна, и находится на той же высоте над горизонтом. Поверхность диска представляла собой абсолютно черное для радиоволн тело:
С помощью радиотелескопа команда под руководством профессора Всеволода Сергеевича Троицкого измеряла интенсивность инфракрасного и радио- излучения от диска. Длина волн составляла от 0,87 мм до 70 см.
Затем диск опускали, измеряли радиоизлучение от неба и настоящей Луны, сравнивали с эталоном (излучением диска, температура которого точно известна), и таким образом определяли температуру спутника Земли.
Измеряли температуру и раньше. Прорывность метода заключалась в том, что точность измерений резко улучшилась: с 20% до 1-2%. А из этого уже можно было делать далекоидущие выводы:
1) Плотность вещества в верхнем слое вещества Луны близка к значениям 0,9-1,2 г/куб.см. Весь слой находится в сильно пористом (50-70%) состоянии в виде застывшего пенистого материала, имеющего теплопроводность в диапазоне (3-5)*10-3 Вт/(м*К).
2) Угол диэлектрических потерь вещества Луны на СВЧ примерно равен потерям в хороших диэлектриках, применяемых в технике.
3) Порода на поверхности в среднем содержит 57% оксида кремния (кварц), 16,5% оксида алюминия (корунд), 7,5% оксида железа.
Каким образом можно определить все эти характеристики по радиоизлучению?
Последовательность, видимо, была такова:
а) С помощью радиолокатора определили коэффициент отражения радиоволн от поверхности Луны (2-4%). Зная, что коэффициент зависит в основном от плотности материала и изучив аналогичные коэффициенты для земных горных пород (10%), пришли к выводу, что лунные породы в 2-5 раз легче земных.
б) С помощью радиотелескопа исследовали собственное излучение Луны на разных длинах волн и получили температуры грунта на разных глубинах (мощность радиоизлучения пропорциональна температуре; чем длиннее волна, тем с большей глубины она приходит).
в) Следя за динамикой изменения температур по глубине во время лунных затмений, сделали выводы о величине коэффициента теплопроводности грунта: он оказался крайне мал и не менялся до глубины нескольких метров. Значит, во-первых, этот слой однороден. А во-вторых, это не пыль (пыль бы самоуплотнилась под действием гравитации, и коэффициент теплопроводности с глубиной бы увеличивался). Следовательно, материал относительно прочный, сохраняющий структуру.
г) Изучили зависимость толщины радиоизлучающего слоя от длины волны и сравнили ее с аналогичными показателями земных пород. Пришли к выводу, что примесей раздробленного (метеорного) железа на Луне нет, т.к. это бы нарушило линейность зависимости. И установили, что наиболее близкими по составу к «луниту» являются земные гранит, габбро, диорит и вулканические туфы. Но, видимо, с другой (пористой) структурой, объясняющей низкую теплопроводность.
Здесь В.С.Троицкий и его коллеги сами рассказывают (Троицкий появляется на 16:07):
Для оценки точности выводов Троицкого приведу выдержки из лабораторных исследований реголита, проведенных уже после взятия проб на Луне и доставки их на Землю:
1) Объемный вес 1,0-2,0 г/куб.см. Характерна очень большая рыхлость: пористость в районе 50%. Теплопроводность составляет (8-13)*10-3 Вт/(м*К).
2) Реголит — хороший диэлектрик, его диэлектрическая проницаемость равна 3,36.
3) Химический состав сильно варьируется в зависимости от места взятия проб: оксида кремния 47-76%, оксида алюминия 12-19%, оксида железа 2-12%.
В феврале 1966-го стокилограммовая станция «Луна-9» совершила первую в истории мягкую посадку на другое небесное тело.
Фотоснимки показали, что в месте посадки отсутствует толстый и рыхлый пылеватый покров, в котором мог бы утонуть лунный корабль, что поверхностный слой обладает достаточно высокой несущей способностью, и что главную опасность при посадке аппаратов, по-видимому, будет представлять не пылевой слой, а неровности рельефа.
Собственно, Троицкий:
Тот самый человек, на мнении которого основывался С.П. Королев, когда писал свое знаменитое
«Посадку лунного корабля следует рассчитывать на достаточно твердый грунт типа пемзы».
1. Успехи физических наук, 1963
2. Троицкий В.С., «Радионаблюдения планет и спутников», 1983
3. Фотографии современного состояния установки отсюда.
Комментарии (75)
RiseOfDeath
22.03.2016 09:30Порода на поверхности в среднем содержит 57% оксида кремния (кварц), 16,5% оксида алюминия (корунд), 7,5% оксида железа.
Хм… если в недрах будет такая же концентрация оксидов железа и алюминия, то это просто праздник какой-то!
22sobaki
22.03.2016 10:11Ну в принципе реголит — это измельченный и спекшийся базальт. С соответствующим химическим составом. Твердый базальт начинается на глубинах от нескольких до 20 метров от поверхности.
0serg
22.03.2016 13:16Там еще титана очень много и (относительно земных концентраций) редкоземельных элементов
cax
22.03.2016 11:22+14В такой ситуации нужен волевой подход:
— Но, Сергей Павлович, — не удержался кто-то из присутствующих. — Как можно принимать такое решение на основании абстрактных разговоров? А если там пыль? Ведь все эти ученые мужи высказывают только общие соображения — не более того! Никто из них не берет на себя смелость написать — на Луне, мол, такой-то грунт… и подписаться под этим!
Королев посмотрел усталыми глазами на сидящих за столом:
— Ах, вот чего вам не хватает…
Взял блокнот, крупным почерком написал на его листке: «ЛУНА — ТВЕРДАЯ».
Подписался: С. Королёв
Rumlin
22.03.2016 12:14+6В январе 1961 года С. П. Королёвым приглашает астрономов к себе в ОКБ. К этому времени с помощью метода дискретных радиоисточников ученым из Радиофизического института в Горьком (НИРФИ) удалось получить и осмыслить некоторые данные о лунной поверхности, ее плотности, пористости, раздробленности, температуре. Разговор коснулся актуальной проблемы свойств поверхности Луны, Троицкий сказал:
– Наиболее вероятно, что Луна покрыта довольно прочной пористой породой типа базальта, слегка припорошенной пылью. Ваш аппарат и человек не провалятся и не утонут…
Королев тут же заключает договор с НИРФИ. Согласно этому документу, все работы должны быть завершены к концу 1966 года. С конца 1963 года Троицкий разворачивает в Крыму на Карадаге свои работы.
«Коллеги Всеволода Сергеевича часто и с неизменным восхищением рассказывают легендарную историю, как в Москве на совещании, возглавляемым С. П. Королёвым, которое проходило в здании Совета Министров, жёстко встал вопрос о характеристиках лунного грунта, необходимых для конструирования лунохода. Столкнулись две точки зрения: первая, что Луна покрыта мощным слоем рыхлой космической пыли; вторая, что поверхность Луны твёрдая. С. П. Королёв должен был принять решение, а дискуссия не прекращалась. Сергей Павлович нашёл оригинальное организационное решение: пустил среди участников лист бумаги, разделённый на две части. Нужно было подписаться (для истории) под одной из точек зрения. И на листе появилась только одна подпись В. С. Троицкого. После этого С. П. Королёв поставил свою резолюцию: „Луна твёрдая!“» (Г. А. Каржина, 2005, «Некоторые аспекты жизни и творчества В. С. Троицкого»).
qbertych
22.03.2016 11:36в) Следя за динамикой изменения температур по глубине во время лунных затмений, сделали выводы о величине коэффициента теплопроводности грунта
Скорее всего теплопроводность можно оценить и по изменению сигнала вблизи лунного терминатора. Во всяком случае, для поверхностных слоев. Но затмения наверняка ждали с нетерпением.Rumlin
22.03.2016 12:17+1Как раз именно так Троицкий и рассказывает в фильме Луна (1965). Или из его биографии:
В 1955 году выходит статья, в которой приводятся результаты наблюдений фазового хода радиоизлучения Луны. В течении десятилетия руководил созданием первых советских радиотелескопов и их аппаратуры. Разработал прецизионный метода измерения слабых сигналов — метод «искусственной Луны», с помощью которого получил наиболее точные данные о спектре радиоизлучения Луны в широком диапазоне длин волн, о его зависимости от фазы лунаций и затмений. Создал детальную теорию радиоизлучения Луны и предложил методы изучения свойств и структуры её поверхностного слоя.
chebo
22.03.2016 12:00+1Очень интересно, спасибо. Но до высадки человека всё равно беспилотный спускаемый аппарат должен был подтвердить выводы теоретиков. Так что ответственность была не такая уж прямо критическая, я думаю.
Rumlin
22.03.2016 12:26+1Смотря как смотреть. Первая успешная посадка — 1966. Тут выясняется, что там толстый слой пыли, а уже несколько лет разрабатываются аппараты для посадки на твердую поверхность — теперь получается необходимо всё выкинуть и начинать проектирование и испытания сначала. И ни о какой посадке в 1968-1970 годах не может быть и речи.
chebo
22.03.2016 12:43+1Ну не всё выкинуть и не сначала. Кое-что подкорректировать, да. Но учитывая в какие сжатые сроки тогда всё делалось, не думаю, что это заняло бы очень много времени. К тому же я где-то читал, что параллельно прорабатывались и варианты с глубокой пылью (ну может прорабатывались не так глубоко, но какие-то наработки наверняка были). Да и потом все же всё понимали — вероятность ошибки была и никто бы Королёва строго за это не судил.
Rumlin
22.03.2016 12:59При дефиците веса добавлять "лыжи" для пыли — это уже проблема. Скорее всего американцам пришлось бы убрать одного члена экипажа. А советский ЛК "обрезать" по весу некуда.
В выше упомянутом фильме Луна Павла Клушанцева, в научно-фантастической части показывают именно глубокий слой пыли, хотя в первой части Троицкий говорит что там такого нет.
theWRM
Интересно как это делали Американцы?
22sobaki
Возможно, что никак или, во всяком случае, не так точно. Данные советских исследований не секретились. Все это публиковалось в открытой печати, Троицкий в 1965 году рассказывал о результатах на международной конференции.
0serg
Ниже я кинул ссылку где часть указанных Вами результатов была опубликована американцами еще в 1962
А так Россия — родина слонов, да
22sobaki
Ссылка не открывается, дома посмотрю, спасибо.
Rumlin
А Троицкий как минимум в 1961-м. И НАСА о его работах было известно. ;) Позже поищу, по-моему его статью на английском видел 1957-58 годов.
https://www.worldcat.org/title/lunar-radio-emission-the-physical-state-and-nature-of-the-moons-surface/oclc/785242503
Troickij, V.S.
Lunar radio emission — the physical state and nature of the moon's surface.
Izvestija Komissii po Fizike Planet; 1961,3.
NASA technical translation,
Washington, DC: National Aeronautics and Space Administration, 1964
0serg
Сабжевые работы с искусственной Луной вроде велись Троцким с 1963 года. А "исследования радиоизлучения Луны в целом" американцами идут еще аж с 1948 года. Да и дата публикации НАСА от 1964 тоже как бы слегка намекает на то что копипасты тут не было :).
Кстати если погуглить статью Троцкого, то почему-то находится именно вариант от 1963 года, причем там широко упоминаются работы иностранных авторов.
Rumlin
1963 — это уже по заказу Королева https://geektimes.ru/post/272302/#comment_9117840
А так факты из биографии
0serg
Сэр, а что бы Вам не почитать, я извиняюсь, статью самого Троицкого где он прямым текстом пишет о том что пионерами изучения Луны радиозондированием были американцы и цитирует статью из Nature датированную 1950 годом (!!!) где исходя из этих исследований толщина слоя лунной пыли была определена как "несколько миллиметров"?
https://ufn.ru/ufn63/ufn63_12/Russian/r6312a.pdf
Советская версия "истории" меня отковенно вымораживает. Вот что блин мешает честно написать что пионерами радиоисследования Луны были западные исследователи, однако советским ученым удалось повторить полученные ими результаты (что УЖЕ является неплохим научным достижением) и уточнить их (что просто великолепно)? Зачем пытаться выдать американцев в целом за идиотов исходивших из ложной теории, полностью умалчивать о их открытиях, делать намеки на то что и исследований-то они не вели, а копировали советские?
Rumlin
Есть деталь, что это всё мнение отдельных учёных, на основе обработки ими результатов их экспериментов. У кого-то пару миллиметров, а у кого-то 40 сантиметров.
Вот хороший пример обзора их исследований к тому времени — о предполагаемых температурах и толщине поверхностного слоя:
Structure of Moons Surface
В догонку на следующей странице в источниках указана статья Троицкого от 1955 года. При поиске его работ сложность в том что его фамилия пишется в разных вариантах: Troitsky, Trockij, Troitskij, Troitskii, W.S.Troitzki
Научную информацию (за некоторым исключением) никто не скрывал:
0serg
Например так
http://adsabs.harvard.edu/full/1962IAUS...14..519P